JP6068730B2 - 作業機械、及び作業機械の作業機パラメータ補正方法 - Google Patents
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Description
本発明は、作業機械、及び作業機械の作業機パラメータ補正方法に関する。
従来、作業機の作業点の現在位置を検出する位置検出装置を備える油圧ショベルが知られている。例えば、特許文献1に開示されている油圧ショベルでは、GPSアンテナからの位置情報に基づいて、バケットの刃先の位置座標が演算される。具体的には、GPSアンテナとブームピンとの位置関係、ブームとアームとバケットとのそれぞれの長さ、ブームと、アームとバケットとのそれぞれの方向角などのパラメータに基づいて、バケットの刃先の位置座標が演算される。ここで、アームとバケットの位置座標は、これらを揺動させるシリンダにストロークセンサ等を設け、シリンダの伸張状態をセンサで取得して、センサ出力値に基づいて演算される。
このような技術は、バケットの刃先位置を油圧ショベルのコントローラで推定し、バケットの刃先を、設計上の掘削面に倣うように動作させることにより、バケットによる掘削面の侵食を防止して、効率的な掘削作業を実現することができる。
このため、バケットの刃先位置を油圧ショベルのコントローラで正確に把握することが重要であり、特許文献1に記載の技術では、例えば、作業機のバケットの刃先の5つの姿勢をトータルステーション等の外部計測装置により計測し、計測したバケットの刃先の計測値に基づいて油圧ショベルのコントローラでの刃先位置の計算に必要な作業機パラメータを較正している。
このため、バケットの刃先位置を油圧ショベルのコントローラで正確に把握することが重要であり、特許文献1に記載の技術では、例えば、作業機のバケットの刃先の5つの姿勢をトータルステーション等の外部計測装置により計測し、計測したバケットの刃先の計測値に基づいて油圧ショベルのコントローラでの刃先位置の計算に必要な作業機パラメータを較正している。
ところで、このような油圧ショベル等の作業機械では、作業範囲を拡大するために、エクステンションアーム等の第2作業機が装着されることがある。
この場合、バケットの刃先位置は、エクステンションアームを装着した作業機長さと各作業機に設けられた角度センサとから算出しなければならない。
しかしながら、エクステンションアーム等の第2作業機を装着後、作業機パラメータの較正作業を行わなければならず、手間がかかるという課題がある。
また、エクステンションアーム等の第2作業機を取り外し、通常の作業機に復帰させた場合、両者間での切り替えができないため、再度、作業機パラメータの較正作業が必要となるという課題がある。
この場合、バケットの刃先位置は、エクステンションアームを装着した作業機長さと各作業機に設けられた角度センサとから算出しなければならない。
しかしながら、エクステンションアーム等の第2作業機を装着後、作業機パラメータの較正作業を行わなければならず、手間がかかるという課題がある。
また、エクステンションアーム等の第2作業機を取り外し、通常の作業機に復帰させた場合、両者間での切り替えができないため、再度、作業機パラメータの較正作業が必要となるという課題がある。
本発明の目的は、エクステンションアーム等の第2作業機の装着前後で較正作業をすることなく、刃先位置の精度を確保することのできる作業機械、及び作業機械の作業機パラメータ補正方法を提供することにある。
本発明の第1の態様に係る作業機械は、
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続された第1作業機と、
前記第1作業機に装着可能とされ、パラレルリンクを有する第2作業機と、
前記作業機械本体に対する前記第1作業機の回動角情報を検出する回動角検出部と、
検出された前記第1作業機の回動角情報に基づいて、前記第1作業機の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第1作業機を構成する部材に設定された第1作業機パラメータを記憶する作業機パラメータ記憶部と、
前記第2作業機に関する情報を補正情報として取得する補正情報取得部と、
前記補正情報取得部で取得された前記補正情報に基づいて、前記第1作業機パラメータを補正する作業機パラメータ補正部とを備えていることを特徴とする。
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続された第1作業機と、
前記第1作業機に装着可能とされ、パラレルリンクを有する第2作業機と、
前記作業機械本体に対する前記第1作業機の回動角情報を検出する回動角検出部と、
検出された前記第1作業機の回動角情報に基づいて、前記第1作業機の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第1作業機を構成する部材に設定された第1作業機パラメータを記憶する作業機パラメータ記憶部と、
前記第2作業機に関する情報を補正情報として取得する補正情報取得部と、
前記補正情報取得部で取得された前記補正情報に基づいて、前記第1作業機パラメータを補正する作業機パラメータ補正部とを備えていることを特徴とする。
本発明の第2の態様に係る作業機械の較正装置は、第1の態様において、
前記第1作業機を回動させる油圧シリンダを備え、
前記回動角検出部は、前記油圧シリンダのストローク量を検出するストローク量検出部であることを特徴とする。
本発明の第3の態様に係る作業機械は、第1の態様又は第2の態様において、
表示部を有し、
前記作業機パラメータ補正部は、前記第1作業機又は前記第2作業機の姿勢を、前記表示部に表示させることを特徴とする。
前記第1作業機を回動させる油圧シリンダを備え、
前記回動角検出部は、前記油圧シリンダのストローク量を検出するストローク量検出部であることを特徴とする。
本発明の第3の態様に係る作業機械は、第1の態様又は第2の態様において、
表示部を有し、
前記作業機パラメータ補正部は、前記第1作業機又は前記第2作業機の姿勢を、前記表示部に表示させることを特徴とする。
本発明の第4の態様に係る作業機械は、第1の態様乃至第3の態様のいずれかの態様において、
前記作業機パラメータ補正部で補正された作業機パラメータは、前記第1作業機を制御する作業機制御部に出力されることを特徴とする。
前記作業機パラメータ補正部で補正された作業機パラメータは、前記第1作業機を制御する作業機制御部に出力されることを特徴とする。
本発明の第5の態様に係る作業機械は、第1の態様乃至第4の態様のいずれかの態様において、
前記第1作業機は、アーム及びバケットを含むことを特徴とする。
本発明の第6の態様に係る作業機械は、第5の態様において、
前記第2作業機は、前記アームの先端側に設けられるパラレルリンク式の作業機であることを特徴とする。
本発明の第7の態様に係る作業機械は、第1の態様乃至第6の態様のいずれかの態様において、
前記作業機械本体は、走行体と、上部旋回体とを備えていることを特徴とする。
前記第1作業機は、アーム及びバケットを含むことを特徴とする。
本発明の第6の態様に係る作業機械は、第5の態様において、
前記第2作業機は、前記アームの先端側に設けられるパラレルリンク式の作業機であることを特徴とする。
本発明の第7の態様に係る作業機械は、第1の態様乃至第6の態様のいずれかの態様において、
前記作業機械本体は、走行体と、上部旋回体とを備えていることを特徴とする。
本発明の第8の態様に係る作業機械の作業機パラメータ補正方法は、
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続された第1作業機と、
前記第1作業機に装着可能とされ、パラレルリンクを有する第2作業機と、
前記作業機械本体に対する前記第1作業機の回動角情報を検出する回動角検出部と、
検出された前記第1作業機の回動角情報に基づいて、前記第1作業機の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第1作業機を構成する部材に設定された第1作業機パラメータを記憶する作業機パラメータ記憶部と、を備えた作業機械の前記第1作業機パラメータを補正する作業機械のパラメータ補正方法であって、
前記第2作業機に関する情報を補正情報として取得する手順と、
取得された前記補正情報に基づいて、前記第1作業機パラメータを補正する手順とを、コンピュータが実行することを特徴とする。
作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続された第1作業機と、
前記第1作業機に装着可能とされ、パラレルリンクを有する第2作業機と、
前記作業機械本体に対する前記第1作業機の回動角情報を検出する回動角検出部と、
検出された前記第1作業機の回動角情報に基づいて、前記第1作業機の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記第1作業機を構成する部材に設定された第1作業機パラメータを記憶する作業機パラメータ記憶部と、を備えた作業機械の前記第1作業機パラメータを補正する作業機械のパラメータ補正方法であって、
前記第2作業機に関する情報を補正情報として取得する手順と、
取得された前記補正情報に基づいて、前記第1作業機パラメータを補正する手順とを、コンピュータが実行することを特徴とする。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの較正装置及び作業機パラメータの補正方法について説明する。
[第1実施形態]
[1]油圧ショベル1の全体構成
図1は、本実施形態に係る較正装置による較正が実施される油圧ショベル1の斜視図である。油圧ショベル1は、作業機械本体2と作業機3とを備える。
作業機械本体2は、下部走行体4と、上部旋回体5とを備え、上部旋回体5は、下部走行体4に旋回自在に設けられている。
上部旋回体5は、後述する油圧ポンプ54や、エンジンなど54Aの装置を収容している。
上部旋回体5には、前部にキャブ6が設けられており、キャブ6内には、オペレータが着座するシートや、後述する表示入力装置71及び操作装置51が設けられる。
下部走行体4には、一対の走行装置4Aが設けられ、走行装置4Aは履帯4Bを有し、履帯4Bが回転することにより、油圧ショベル1が走行する。なお、本実施形態においては、シートに着座したときのオペレータの視線を基準として前後左右を規定する。
[第1実施形態]
[1]油圧ショベル1の全体構成
図1は、本実施形態に係る較正装置による較正が実施される油圧ショベル1の斜視図である。油圧ショベル1は、作業機械本体2と作業機3とを備える。
作業機械本体2は、下部走行体4と、上部旋回体5とを備え、上部旋回体5は、下部走行体4に旋回自在に設けられている。
上部旋回体5は、後述する油圧ポンプ54や、エンジンなど54Aの装置を収容している。
上部旋回体5には、前部にキャブ6が設けられており、キャブ6内には、オペレータが着座するシートや、後述する表示入力装置71及び操作装置51が設けられる。
下部走行体4には、一対の走行装置4Aが設けられ、走行装置4Aは履帯4Bを有し、履帯4Bが回転することにより、油圧ショベル1が走行する。なお、本実施形態においては、シートに着座したときのオペレータの視線を基準として前後左右を規定する。
作業機3は、作業機械本体2の前部に設けられ、ブーム31、アーム32、バケット33、ブームシリンダ34、アームシリンダ35、及びバケットシリンダ36を備える。尚、本発明における第1作業機は、少なくともアーム32及びバケット33を含む。
ブーム31の基端部は、ブームピン37を介して作業機械本体2の前部に回動自在に取り付けられる。ブームピン37は、ブーム31の上部旋回体5に対する回動中心に相当する。
アーム32の基端部は、アームピン38を介してブーム31の先端部に回動可能に取り付けられる。アームピン38は、アーム32のブーム31に対する回動中心に相当する。
アーム32の先端部には、バケットピン39を介してバケット33が回動可能に取り付けられる。バケットピン39は、アーム32の先端に設けられ、バケット33のアーム32に対する回動中心に相当する。第1作業機の基準点は、バケット33の刃先Pとされる。
アンテナ46、47は、上部旋回体5に設けられ、カウンタウエイト上に設けられるハンドレール等に設置されたりする。
ブーム31の基端部は、ブームピン37を介して作業機械本体2の前部に回動自在に取り付けられる。ブームピン37は、ブーム31の上部旋回体5に対する回動中心に相当する。
アーム32の基端部は、アームピン38を介してブーム31の先端部に回動可能に取り付けられる。アームピン38は、アーム32のブーム31に対する回動中心に相当する。
アーム32の先端部には、バケットピン39を介してバケット33が回動可能に取り付けられる。バケットピン39は、アーム32の先端に設けられ、バケット33のアーム32に対する回動中心に相当する。第1作業機の基準点は、バケット33の刃先Pとされる。
アンテナ46、47は、上部旋回体5に設けられ、カウンタウエイト上に設けられるハンドレール等に設置されたりする。
ブームシリンダ34、アームシリンダ35、及びバケットシリンダ36は、それぞれ油圧によって伸張縮退駆動される油圧シリンダである。
ブームシリンダ34の基端部は、ブームシリンダフートピン34Aを介して上部旋回体5に回動可能に取り付けられている。
また、ブームシリンダ34の先端部は、ブームシリンダトップピン34Bを介してブーム31に回動可能に取り付けられている。ブームシリンダ34は、油圧によって伸縮することによって、ブーム31を駆動する。
ブームシリンダ34の基端部は、ブームシリンダフートピン34Aを介して上部旋回体5に回動可能に取り付けられている。
また、ブームシリンダ34の先端部は、ブームシリンダトップピン34Bを介してブーム31に回動可能に取り付けられている。ブームシリンダ34は、油圧によって伸縮することによって、ブーム31を駆動する。
アームシリンダ35の基端部は、アームシリンダフートピン35Aを介してブーム31に回動可能に取り付けられている。
また、アームシリンダ35の先端部は、アームシリンダトップピン35Bを介してアーム32に回動可能に取り付けられている。アームシリンダ35は、油圧によって伸縮することによって、アーム32を駆動し、掘削・ダンプする。
バケットシリンダ36の基端部は、バケットシリンダフートピン36Aを介してアーム32に回動可能に取り付けられている。
また、バケットシリンダ36の先端部は、バケットシリンダトップピン36Bを介して、第1リンク部材40の一端及び第2リンク部材41の一端に回動可能に取り付けられている。
第1リンク部材40の他端は、第1リンクピン40Aを介してアーム32の先端部に回動自在に取り付けられている。
第2リンク部材41の他端は、第2リンクピン41Aを介してバケット33に回動自在に取り付けられている。バケットシリンダ36は、油圧によって伸縮することによって、バケット33を駆動し、掘削・ダンプする。
また、アームシリンダ35の先端部は、アームシリンダトップピン35Bを介してアーム32に回動可能に取り付けられている。アームシリンダ35は、油圧によって伸縮することによって、アーム32を駆動し、掘削・ダンプする。
バケットシリンダ36の基端部は、バケットシリンダフートピン36Aを介してアーム32に回動可能に取り付けられている。
また、バケットシリンダ36の先端部は、バケットシリンダトップピン36Bを介して、第1リンク部材40の一端及び第2リンク部材41の一端に回動可能に取り付けられている。
第1リンク部材40の他端は、第1リンクピン40Aを介してアーム32の先端部に回動自在に取り付けられている。
第2リンク部材41の他端は、第2リンクピン41Aを介してバケット33に回動自在に取り付けられている。バケットシリンダ36は、油圧によって伸縮することによって、バケット33を駆動し、掘削・ダンプする。
図2A〜図2C2は、油圧ショベル1の構成を模式的に示す図である。図2Aは油圧ショベル1の側面図である。図2Bは油圧ショベル1の背面図である。図2Cは油圧ショベル1の平面図である。図2Aに示すように、ブーム31の長さ、すなわち、ブームピン37とアームピン38との間の長さは、L1である。アーム32の長さ、すなわち、アームピン38とバケットピン39との間の長さは、L2である。バケット33の長さ、すなわち、バケットピン39とバケット33の刃先Pとの間の長さは、L3である。
図2Aに示すように、作業機械本体2は、位置検出部45を備え、この位置検出部45は、油圧ショベル1の作業機械本体2の現在位置を検出する。位置検出部45は、図1に示すRTK−GNSS(Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems:GNSSは全地球航法衛星システムをいう)用の2つのアンテナ46、47と、図2Aに示す車体位置演算部48とを有する。なお、アンテナ46、47は、上部旋回体5の上部にハンドレールを設け、ハンドレールに設置してもよい。
アンテナ46、47は、後述する車体座標系x−y−zの原点Oを基準とし、x軸、y軸、及びz軸(図2A〜図2C参照)に沿って一定距離(それぞれLbdx、Lbdy、Lbdz)だけ離間して配置されている。
アンテナ46、47で受信されたGNSS電波に応じた信号は、車体位置演算部48に入力される。車体位置演算部48は、アンテナ46、47のグローバル座標系における現在位置を検出する。なお、グローバル座標系はX−Y−Zで表記し、水平面をXY、鉛直方向をZとする。また、グローバル座標系は、GNSSによって計測される座標系であり、地球に固定された原点を基準とした座標系である。
アンテナ46、47は、後述する車体座標系x−y−zの原点Oを基準とし、x軸、y軸、及びz軸(図2A〜図2C参照)に沿って一定距離(それぞれLbdx、Lbdy、Lbdz)だけ離間して配置されている。
アンテナ46、47で受信されたGNSS電波に応じた信号は、車体位置演算部48に入力される。車体位置演算部48は、アンテナ46、47のグローバル座標系における現在位置を検出する。なお、グローバル座標系はX−Y−Zで表記し、水平面をXY、鉛直方向をZとする。また、グローバル座標系は、GNSSによって計測される座標系であり、地球に固定された原点を基準とした座標系である。
これに対して、後述する車体座標系は、作業機械本体2(具体的には上部旋回体5)に固定された原点Oを基準とする座標系である。
アンテナ46(以下、「基準アンテナ46」と呼んでもよい)は、作業機械本体2の現在位置を検出するためのアンテナである。アンテナ47(以下、「方向アンテナ47」と呼んでもよい)は、作業機械本体2(具体的には上部旋回体5)の向きを検出するためのアンテナである。位置検出部45は、基準アンテナ46と方向アンテナ47との位置によって、後述する車体座標系のx軸のグローバル座標系での方向角を検出する。なお、アンテナ46、47は、GPS用のアンテナであってもよい。
図2Aに示すように、作業機械本体2は、車体の傾斜角を計測するIMU49(Inertial Measurement Unit)を備え、このIMU49により、Y方向のロール角(θ1:図2B参照)及びX方向のピッチ角(θ2:図2A参照)の角速度と加速度を出力する。
アンテナ46(以下、「基準アンテナ46」と呼んでもよい)は、作業機械本体2の現在位置を検出するためのアンテナである。アンテナ47(以下、「方向アンテナ47」と呼んでもよい)は、作業機械本体2(具体的には上部旋回体5)の向きを検出するためのアンテナである。位置検出部45は、基準アンテナ46と方向アンテナ47との位置によって、後述する車体座標系のx軸のグローバル座標系での方向角を検出する。なお、アンテナ46、47は、GPS用のアンテナであってもよい。
図2Aに示すように、作業機械本体2は、車体の傾斜角を計測するIMU49(Inertial Measurement Unit)を備え、このIMU49により、Y方向のロール角(θ1:図2B参照)及びX方向のピッチ角(θ2:図2A参照)の角速度と加速度を出力する。
ブームシリンダ34とアームシリンダ35とバケットシリンダ36には、それぞれ、回動角検出部であるブームシリンダストロークセンサ42、アームシリンダストロークセンサ43、及びバケットシリンダストロークセンサ44が設けられている。
各シリンダストロークセンサ42〜44は、油圧シリンダ34〜36に設置されるシリンダのストロークを検出するストロークセンサである。
各シリンダストロークセンサ42〜44は、回動角情報である各油圧シリンダ34〜36のストローク長さを検出することにより、後述する表示コントローラ72の姿勢演算部72Cにて、作業機械本体2に対するブーム31の回動角と、ブーム31に対するアーム32の回動角と、アーム32に対するバケット33の回動角とを演算可能とする。
なお、回動角検出部は各作業機の回動部に取り付ける角度センサによる回動角情報の検出を代用してもよい。
各シリンダストロークセンサ42〜44は、油圧シリンダ34〜36に設置されるシリンダのストロークを検出するストロークセンサである。
各シリンダストロークセンサ42〜44は、回動角情報である各油圧シリンダ34〜36のストローク長さを検出することにより、後述する表示コントローラ72の姿勢演算部72Cにて、作業機械本体2に対するブーム31の回動角と、ブーム31に対するアーム32の回動角と、アーム32に対するバケット33の回動角とを演算可能とする。
なお、回動角検出部は各作業機の回動部に取り付ける角度センサによる回動角情報の検出を代用してもよい。
具体的には、後述する表示コントローラ72内の姿勢演算部72Cは、ブームシリンダストロークセンサ42が検出したブームシリンダ34のストローク長さから、図2Aに示すように、後述する車体座標系のz軸に対するブーム31の回動角αを演算する。
表示コントローラ72内の姿勢演算部72Cは、アームシリンダストロークセンサ43が検出したアームシリンダ35のストローク長さから、ブーム31に対するアーム32の回動角βを演算する。
表示コントローラ72内の姿勢演算部72Cは、バケットシリンダストロークセンサ44が検出したバケットシリンダ36のストローク長さから、アーム32に対するバケット33の回動角γを演算する。回動角α、β、γの演算方法については後に詳細に説明する。
表示コントローラ72内の姿勢演算部72Cは、アームシリンダストロークセンサ43が検出したアームシリンダ35のストローク長さから、ブーム31に対するアーム32の回動角βを演算する。
表示コントローラ72内の姿勢演算部72Cは、バケットシリンダストロークセンサ44が検出したバケットシリンダ36のストローク長さから、アーム32に対するバケット33の回動角γを演算する。回動角α、β、γの演算方法については後に詳細に説明する。
[2]油圧ショベル1の制御系の構成
図3は、油圧ショベル1の制御系の構成を示すブロック図である。
油圧ショベル1は、操作装置51と、作業機コントローラ52と、油圧制御回路53と、油圧ポンプ54と、油圧モータ61と、エンジン54Aと、表示システム70とを備える。
操作装置51は、作業機操作レバー55と、作業機操作検出部56とを備える。
作業機操作レバー55は、左右の操作レバー55L、55Rを備える。左操作レバー55Lの左右の操作で上部旋回体5の左右の旋回指令を行い、左操作レバー55Lの前後の操作でアーム32のダンプ・掘削を指令する。右操作レバー55Rの左右の操作でバケット33の掘削・ダンプを指令し、右操作レバー55Rの前後の操作でブーム31の下げ・上げを指令する。
作業機操作検出部56L、56Rは、作業機操作レバー55の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ52へ出力する。作業機操作レバー55からの油圧制御回路53への操作指令は、パイロット油圧方式でも電気レバー方式でもどちらでもよい。電気レバー方式の場合は、操作指令をポテンショメータ等で電気信号に変換し、作業機コントローラ52に入力する。パイロット油圧方式の場合は、レバー操作によって生成されるパイロット油圧で、後述する油圧制御回路53を構成する比例制御弁を駆動し、作動油の流量を調整する。また、パイロット圧力を圧力センサで検出し、電気信号に変換して作業機コントローラ52に入力する。
走行操作レバー59は、オペレータが油圧ショベル1の走行を操作するための部材である。走行操作検出部60は、走行操作レバー59の操作内容に基づき下部走行体4の油圧モータ61へ油圧の供給を行う。
図3は、油圧ショベル1の制御系の構成を示すブロック図である。
油圧ショベル1は、操作装置51と、作業機コントローラ52と、油圧制御回路53と、油圧ポンプ54と、油圧モータ61と、エンジン54Aと、表示システム70とを備える。
操作装置51は、作業機操作レバー55と、作業機操作検出部56とを備える。
作業機操作レバー55は、左右の操作レバー55L、55Rを備える。左操作レバー55Lの左右の操作で上部旋回体5の左右の旋回指令を行い、左操作レバー55Lの前後の操作でアーム32のダンプ・掘削を指令する。右操作レバー55Rの左右の操作でバケット33の掘削・ダンプを指令し、右操作レバー55Rの前後の操作でブーム31の下げ・上げを指令する。
作業機操作検出部56L、56Rは、作業機操作レバー55の操作内容を検出して、検出信号として作業機コントローラ52へ出力する。作業機操作レバー55からの油圧制御回路53への操作指令は、パイロット油圧方式でも電気レバー方式でもどちらでもよい。電気レバー方式の場合は、操作指令をポテンショメータ等で電気信号に変換し、作業機コントローラ52に入力する。パイロット油圧方式の場合は、レバー操作によって生成されるパイロット油圧で、後述する油圧制御回路53を構成する比例制御弁を駆動し、作動油の流量を調整する。また、パイロット圧力を圧力センサで検出し、電気信号に変換して作業機コントローラ52に入力する。
走行操作レバー59は、オペレータが油圧ショベル1の走行を操作するための部材である。走行操作検出部60は、走行操作レバー59の操作内容に基づき下部走行体4の油圧モータ61へ油圧の供給を行う。
作業機コントローラ52は、RAMやROMなどの記憶部52A、及びCPUなどの演算部52Bを備える。作業機コントローラ52は、主として作業機3の動作制御を行う。作業機コントローラ52は、作業機操作レバー55の操作に応じて作業機3を動作させるための制御信号を生成して、油圧制御回路53に出力する。
油圧制御回路53は、比例制御弁、EPC弁などの油圧制御機器を備え、作業機コントローラ52からの制御信号に基づいて、油圧ポンプ54から油圧シリンダ34〜36に供給される作動油の流量を制御する。
油圧シリンダ34〜36は、油圧制御回路53から供給された作動油に応じて駆動され、これにより、作業機3が動作する。
また、旋回操作レバーの操作に基づき比例制御弁が駆動され、これにより、油圧モータ61が駆動され、上部旋回体5が旋回する。なお、上部旋回体5を駆動する旋回モータは油圧駆動でなく、電動式を使用してもよい。
油圧制御回路53は、比例制御弁、EPC弁などの油圧制御機器を備え、作業機コントローラ52からの制御信号に基づいて、油圧ポンプ54から油圧シリンダ34〜36に供給される作動油の流量を制御する。
油圧シリンダ34〜36は、油圧制御回路53から供給された作動油に応じて駆動され、これにより、作業機3が動作する。
また、旋回操作レバーの操作に基づき比例制御弁が駆動され、これにより、油圧モータ61が駆動され、上部旋回体5が旋回する。なお、上部旋回体5を駆動する旋回モータは油圧駆動でなく、電動式を使用してもよい。
油圧ショベル1には、表示システム70が搭載されている。表示システム70は、作業エリア内の地面を掘削して、後述する設計面のような形状に形成するための情報をオペレータに提供するためのシステムである。表示システム70は、表示入力装置71と、表示コントローラ72と、較正部80とを備える。なお、表示システム70の各機能は、個別のコントローラとしてもよい。
表示入力装置71は、タッチパネル式の入力部71Aと、LCD(Liquid Crystal Display)などの表示部71Bとを備える。表示入力装置71は、掘削を行うための情報を提供するための案内画面を表示する。また、案内画面には、各種のキーが表示され、オペレータは、案内画面上の各種のキーに触れることにより、表示システム70の各種の機能を実行させることができる。
入力部71Aは、オペレータが計測値等の種々の情報を入力する部分であり、キーボード、タッチパネル等で構成される。
入力部71Aは、オペレータが計測値等の種々の情報を入力する部分であり、キーボード、タッチパネル等で構成される。
表示コントローラ72は、表示システム70の各種の機能を実行する。表示コントローラ72と作業機コントローラ52とは、無線あるいは有線の通信手段により互いに通信可能となっている。表示コントローラ72は、RAM、ROMなど既知の手段による記憶部72Aと、CPU等の作業機位置演算部72Bと、姿勢演算部72Cとを備える。
作業機位置演算部72Bは、記憶部72Aに記憶されている各種のデータと、位置検出部45の検出結果とに基づいて、案内画面を表示するとともに、掘削作業を行うために、後述するバケット33の刃先Pの位置の演算を実行する。各演算部72B、72Cは、表示コントローラ72以外のコントローラで演算してもよい。
姿勢演算部72Cは、シリンダストロークセンサ42〜44の検出値に基づき、ブーム31、アーム32、バケット33に設けられるそれぞれのシリンダストロークセンサ42〜44によって検出されるシリンダストロークより姿勢角であるブーム31の回動角α、アーム32の回動角β、バケット33の回動角γを演算する。そして、姿勢演算部72Cは、IMU49の油圧ショベル1のロール角θ1、ピッチ角θ2を演算する。
作業機位置演算部72Bは、記憶部72Aに記憶されている各種のデータと、位置検出部45の検出結果とに基づいて、案内画面を表示するとともに、掘削作業を行うために、後述するバケット33の刃先Pの位置の演算を実行する。各演算部72B、72Cは、表示コントローラ72以外のコントローラで演算してもよい。
姿勢演算部72Cは、シリンダストロークセンサ42〜44の検出値に基づき、ブーム31、アーム32、バケット33に設けられるそれぞれのシリンダストロークセンサ42〜44によって検出されるシリンダストロークより姿勢角であるブーム31の回動角α、アーム32の回動角β、バケット33の回動角γを演算する。そして、姿勢演算部72Cは、IMU49の油圧ショベル1のロール角θ1、ピッチ角θ2を演算する。
表示コントローラ72の記憶部72Aには、設計地形データが予め作成されて記憶されている。設計地形データは、3次元の設計地形の形状及び位置に関する情報である。設計地形は、作業対象となる地面の目標形状を示す。表示コントローラ72は、設計地形データや上述した各種のセンサからの検出結果などのデータに基づいて、案内画面を表示入力装置71に表示させる。
また、記憶部72Aには、作業機パラメータが記憶されている。
また、記憶部72Aには、作業機パラメータが記憶されている。
[3]バケット33の刃先Pの位置の演算方法
次に、上述したバケット33の刃先Pの位置の演算方法について詳細に説明する。表示コントローラ72の姿勢演算部72Cは、位置検出部45の検出結果、及び、記憶部72Aに記憶されている複数のパラメータに基づいて、バケット33の刃先Pの推定位置を演算する。
パラメータは、作業機パラメータと、アンテナパラメータとを含む。作業機パラメータは、ブーム31とアーム32とバケット33との寸法と回動角とを示す複数のパラメータを含む。アンテナパラメータは、アンテナ46、47とブーム31との位置関係を示す複数のパラメータを含む。
次に、上述したバケット33の刃先Pの位置の演算方法について詳細に説明する。表示コントローラ72の姿勢演算部72Cは、位置検出部45の検出結果、及び、記憶部72Aに記憶されている複数のパラメータに基づいて、バケット33の刃先Pの推定位置を演算する。
パラメータは、作業機パラメータと、アンテナパラメータとを含む。作業機パラメータは、ブーム31とアーム32とバケット33との寸法と回動角とを示す複数のパラメータを含む。アンテナパラメータは、アンテナ46、47とブーム31との位置関係を示す複数のパラメータを含む。
図3に示すように、表示コントローラ72の作業機位置演算部72Bは、位置検出部45が検出したアンテナ46、47のグローバル座標系における推定位置と、演算したバケット33の刃先Pの車体座標系における推定位置とから、バケット33の刃先Pのグローバル座標系における推定位置を演算する。具体的には、バケット33の刃先Pの推定位置は、次のように求められる。
まず、図2A〜図2Cに示すように、上部旋回体5の旋回中心を原点Oとする車体座標系x−y−zを設定する。なお、車体座標系は車体前後方向をx軸、車体左右方向をy軸、車体鉛直方向をz軸とする。
また、以下の説明においてブームピン37を油圧ショベル1の基準位置とする。ブームピン37の位置は、ブームピン37の車幅方向における中点の位置を意味するものとするが、実際は車体座標系に対するブームピン37の位置の座標を与えている。油圧ショベル1の基準位置は、上部旋回体5上に任意に設定されてよい。
各シリンダストロークセンサ42、43、44の検出結果から、上述したブーム31、アーム32、バケット33の現在の回動角α、β、γが演算される。
車体座標系でのバケット33の刃先Pの座標(x,y,z)は、ブーム31、アーム32、バケット33の回動角α、β、γと、作業機パラメータであるブーム31、アーム32、バケット33の長さL1、L2、L3とを用いて、以下の式(1)により演算される。
また、以下の説明においてブームピン37を油圧ショベル1の基準位置とする。ブームピン37の位置は、ブームピン37の車幅方向における中点の位置を意味するものとするが、実際は車体座標系に対するブームピン37の位置の座標を与えている。油圧ショベル1の基準位置は、上部旋回体5上に任意に設定されてよい。
各シリンダストロークセンサ42、43、44の検出結果から、上述したブーム31、アーム32、バケット33の現在の回動角α、β、γが演算される。
車体座標系でのバケット33の刃先Pの座標(x,y,z)は、ブーム31、アーム32、バケット33の回動角α、β、γと、作業機パラメータであるブーム31、アーム32、バケット33の長さL1、L2、L3とを用いて、以下の式(1)により演算される。
また、式(1)から求められた車体座標系でのバケット33の刃先Pの座標(x,y,z)は、以下の式(2)により、グローバル座標系での座標(X,Y,Z)に変換される。
但し、ω、φ、κは以下の式(3)のように表される。
ここで、上述したとおり、θ1はロール角である。θ2はピッチ角である。また、図2Cに示されるように、θ3は、ヨー角であり、上述した車体座標系のx軸のグローバル座標系での方向角である。従って、ヨー角θ3は、位置検出部45によって検出された基準アンテナ46と方向アンテナ47との位置に基づいて演算される。(A,B,C)は、車体座標系の原点のグローバル座標系での座標である。
前述したアンテナパラメータは、アンテナ46、47と車体座標系の原点との位置関係、すなわち、アンテナ46、47とブームピン37の車幅方向における中点との位置関係を示す。
具体的には、図2B及び図2Cに示すように、アンテナパラメータは、ブームピン37と基準アンテナ46との間の車体座標系のx軸方向の距離Lbbxと、ブームピン37と基準アンテナ46との間の車体座標系のy軸方向の距離Lbbyと、ブームピン37と基準アンテナ46との間の車体座標系のz軸方向の距離Lbbzとを含む。また、アンテナパラメータは、ブームピン37と方向アンテナ47との間の車体座標系のx軸方向の距離Lbdxと、ブームピン37と方向アンテナ47との間の車体座標系のy軸方向の距離Lbdyと、ブームピン37と方向アンテナ47との間の車体座標系のz軸方向の距離Lbdzとを含む。
(A,B,C)は、アンテナ46、47が検出したグローバル座標系におけるアンテナ46、47の座標と、アンテナパラメータとに基づいて、演算される。
前述したアンテナパラメータは、アンテナ46、47と車体座標系の原点との位置関係、すなわち、アンテナ46、47とブームピン37の車幅方向における中点との位置関係を示す。
具体的には、図2B及び図2Cに示すように、アンテナパラメータは、ブームピン37と基準アンテナ46との間の車体座標系のx軸方向の距離Lbbxと、ブームピン37と基準アンテナ46との間の車体座標系のy軸方向の距離Lbbyと、ブームピン37と基準アンテナ46との間の車体座標系のz軸方向の距離Lbbzとを含む。また、アンテナパラメータは、ブームピン37と方向アンテナ47との間の車体座標系のx軸方向の距離Lbdxと、ブームピン37と方向アンテナ47との間の車体座標系のy軸方向の距離Lbdyと、ブームピン37と方向アンテナ47との間の車体座標系のz軸方向の距離Lbdzとを含む。
(A,B,C)は、アンテナ46、47が検出したグローバル座標系におけるアンテナ46、47の座標と、アンテナパラメータとに基づいて、演算される。
表示コントローラ72は、前記のように演算したバケット33の刃先Pの現在位置と、記憶部72Aに記憶された設計地形データとに基づいて、3次元設計地形とバケット33の刃先Pの距離を演算する。この距離を表示部71Bに表示したり、掘削制御を行う時のパラメータとして使用したりすることができる。
次に、シリンダストロークセンサ42、43、44の検出結果から、ブーム31、アーム32、バケット33の現在の回動角α、β、γを演算する方法について説明する。
図4は、ブーム31の側面図である。ブーム31の回動角αは、図4に示されている作業機パラメータを用いて、以下の式(4)によって表される。
図4は、ブーム31の側面図である。ブーム31の回動角αは、図4に示されている作業機パラメータを用いて、以下の式(4)によって表される。
図4に示すように、ブーム31の作業機パラメータであるLboom2_xは、ブームシリンダフートピン34Aとブームピン37との間の、ブーム31が取り付けられる作業機械本体2の水平方向(すなわち車体座標系のx軸方向に相当する)の距離である。ブーム31の作業機パラメータであるLboom2_zは、ブームシリンダフートピン34Aとブームピン37との間の、ブーム31が取り付けられる作業機械本体2の鉛直方向(すなわち車体座標系のz軸方向に相当する)の距離である。ブーム31の作業機パラメータであるLboom1は、ブームシリンダトップピン34Bとブームピン37との間の距離である。ブーム31の作業機パラメータであるLboom2は、ブームシリンダフートピン34Aとブームピン37との間の距離である。ブーム31の作業機パラメータであるboom_cylは、ブームシリンダフートピン34Aとブームシリンダトップピン34Bとの間の距離である。ブーム31の作業機パラメータであるLboom1_zは、ブームシリンダトップピン34Bとブームピン37との間のzboom軸方向の距離である。なお、側面視においてブームピン37とアームピン38とを結ぶ方向をxboom軸とし、xboom軸に垂直な方向をzboom軸とする。ブーム31の作業機パラメータであるLboom1_xは、ブームシリンダトップピン34Bとブームピン37との間のxboom軸方向の距離である。
図5は、アーム32の側面図である。アーム32の回動角βは、図4及び図5に示されている作業機パラメータを用いて、以下の式(5)によって表される。
図4に示すように、ブーム31の作業機パラメータであるLboom3_zは、アームシリンダフートピン35Aとアームピン38との間のzboom軸方向の距離である。ブーム31の作業機パラメータであるLboom3_xは、アームシリンダフートピン35Aとアームピン38との間のxboom軸方向の距離である。ブーム31の作業機パラメータであるLboom3は、アームシリンダフートピン35Aとアームピン38との間の距離である。図5に示すように、アーム32の作業機パラメータであるLarm2は、アームシリンダトップピン35Bとアームピン38との間の距離である。図4に示すように、アーム32の作業機パラメータであるarm_cylは、アームシリンダフートピン35Aとアームシリンダトップピン35Bとの間の距離である。
図5に示すように、アーム32の作業機パラメータであるLarm2_xは、アームシリンダトップピン35Bとアームピン38との間のxarm2軸方向の距離である。アーム32の作業機パラメータであるLarm2_zは、アームシリンダトップピン35Bとアームピン38との間のzarm2軸方向の距離である。
尚、側面視においてアームシリンダトップピン35Bとバケットピン39とを結ぶ方向をxarm2軸とし、xarm2軸に垂直な方向をzarm2軸とする。アーム32の作業機パラメータであるLarm1_xは、アームピン38とバケットピン39との間のxarm2軸方向の距離である。アーム32の作業機パラメータであるLarm1_zは、アームピン38とバケットピン39との間のzarm2軸方向の距離である。また、側面視においてアームピン38とバケットピン39とを結ぶ方向をxarm1軸とする。アーム32の回動角βは、xboom軸とxarm1軸との間のなす角である。
尚、側面視においてアームシリンダトップピン35Bとバケットピン39とを結ぶ方向をxarm2軸とし、xarm2軸に垂直な方向をzarm2軸とする。アーム32の作業機パラメータであるLarm1_xは、アームピン38とバケットピン39との間のxarm2軸方向の距離である。アーム32の作業機パラメータであるLarm1_zは、アームピン38とバケットピン39との間のzarm2軸方向の距離である。また、側面視においてアームピン38とバケットピン39とを結ぶ方向をxarm1軸とする。アーム32の回動角βは、xboom軸とxarm1軸との間のなす角である。
図6は、バケット33及びアーム32の側面図である。図7は、バケット33の側面図である。バケット33の回動角γは、図4乃至から図7に示されている作業機パラメータを用いて、以下の式(6)によって表される。
図5に示すように、アーム32の作業機パラメータであるLarm3_z2は、第1リンクピン40Aとバケットピン39との間のzarm2軸方向の距離である。アーム32の作業機パラメータであるLarm3_x2は、第1リンクピン40Aとバケットピン39との間のxarm2軸方向の距離である。
図6に示すように、アーム32の作業機パラメータであるLtmpは、バケットシリンダトップピン36Bとバケットピン39との間の距離である。アーム32の作業機パラメータであるLarm4は、第1リンクピン40Aとバケットピン39との間の距離である。バケット33の作業機パラメータであるLbucket1は、バケットシリンダトップピン36Bと第1リンクピン40Aとの間の距離である。バケット33の作業機パラメータであるLbucket3は、バケットピン39と第2リンクピン41Aとの間の距離である。バケット33の作業機パラメータであるLbucket2は、バケットシリンダトップピン36Bと第2リンクピン41Aとの間の距離である。
図6に示すように、アーム32の作業機パラメータであるLtmpは、バケットシリンダトップピン36Bとバケットピン39との間の距離である。アーム32の作業機パラメータであるLarm4は、第1リンクピン40Aとバケットピン39との間の距離である。バケット33の作業機パラメータであるLbucket1は、バケットシリンダトップピン36Bと第1リンクピン40Aとの間の距離である。バケット33の作業機パラメータであるLbucket3は、バケットピン39と第2リンクピン41Aとの間の距離である。バケット33の作業機パラメータであるLbucket2は、バケットシリンダトップピン36Bと第2リンクピン41Aとの間の距離である。
図7に示すように、バケット33の作業機パラメータであるLbucket4_xは、バケットピン39と第2リンクピン41Aとの間のxbucket軸方向の距離である。バケット33の作業機パラメータであるLbucket4_zは、バケットピン39と第2リンクピン41Aとの間のzbucket軸方向の距離である。
なお、側面視においてバケットピン39とバケット33の刃先Pとを結ぶ方向をxbucket軸とし、xbucket軸に垂直な方向をzbucket軸とする。バケット33の回動角γは、xbucket軸とxarm1軸との間のなす角である。上述したLtmpは以下の式(7)によって表される。
なお、側面視においてバケットピン39とバケット33の刃先Pとを結ぶ方向をxbucket軸とし、xbucket軸に垂直な方向をzbucket軸とする。バケット33の回動角γは、xbucket軸とxarm1軸との間のなす角である。上述したLtmpは以下の式(7)によって表される。
なお、図6に示すように、アーム32の作業機パラメータであるLarm3は、バケットシリンダフートピン36Aと第1リンクピン40Aとの間の距離である。アーム32の作業機パラメータであるLarm3_x1は、バケットシリンダフートピン36Aとバケットピン39との間のxarm2軸方向の距離である。アーム32の作業機パラメータであるLarm3_z1は、バケットシリンダフートピン36Aとバケットピン39との間のzarm2軸方向の距離である。
また、上述したboom_cylは、図8に示すように、ブームシリンダストロークセンサ42が検出したブームシリンダ34のストローク長bssに、ブーム31の作業機パラメータであるブームシリンダオフセット作業パラメータboftを加えた値である。
同様に、arm_cylは、アームシリンダストロークセンサ43が検出したアームシリンダ35のストローク長assに、アーム32の作業機パラメータであるアームシリンダオフセット作業機パラメータaoftを加えた値である。
同様に、bucket_cylは、バケットシリンダストロークセンサ44が検出したバケットシリンダ36のストローク長bkssに、バケットシリンダ36の最小距離を含んだバケット33の作業機パラメータであるバケットシリンダオフセット作業機パラメータbkoftを加えた値である。
同様に、arm_cylは、アームシリンダストロークセンサ43が検出したアームシリンダ35のストローク長assに、アーム32の作業機パラメータであるアームシリンダオフセット作業機パラメータaoftを加えた値である。
同様に、bucket_cylは、バケットシリンダストロークセンサ44が検出したバケットシリンダ36のストローク長bkssに、バケットシリンダ36の最小距離を含んだバケット33の作業機パラメータであるバケットシリンダオフセット作業機パラメータbkoftを加えた値である。
[4]較正部80の構成
図3に示される較正部80は、油圧ショベル1おいて、上述した回動角α、β、γの演算、及び、バケット33の刃先Pの位置を演算するために必要な作業機パラメータを較正するための部分である。
較正部80は、較正演算部83を備え、油圧ショベル1及び外部計測装置84と共に、上述した作業機パラメータを較正するための較正装置を構成する。外部計測装置84は、バケット33の刃先Pの位置を計測する装置であり、例えば、トータルステーションを用いることができる。また、較正部80は、車内通信によって表示コントローラ72とデータ通信を行うことができる。
図3に示される較正部80は、油圧ショベル1おいて、上述した回動角α、β、γの演算、及び、バケット33の刃先Pの位置を演算するために必要な作業機パラメータを較正するための部分である。
較正部80は、較正演算部83を備え、油圧ショベル1及び外部計測装置84と共に、上述した作業機パラメータを較正するための較正装置を構成する。外部計測装置84は、バケット33の刃先Pの位置を計測する装置であり、例えば、トータルステーションを用いることができる。また、較正部80は、車内通信によって表示コントローラ72とデータ通信を行うことができる。
較正部80を構成する後述する計測値取得部83Aは、車内通信によって外部計測装置84とデータ通信を行うことができる。
較正演算部83は、CPU等で構成され、外部計測装置84によって計測された計測値に基づいて作業機パラメータの較正を行う。作業機パラメータの較正は、例えば、油圧ショベル1の出荷時やメンテナンス後において実行される。
作業パラメータの較正結果は、表示入力装置71の表示部71Bに表示され、オペレータは、この較正結果を確認することにより、較正がうまくいったか、再度較正しなければならないかを確認することができる。
較正演算部83は、CPU等で構成され、外部計測装置84によって計測された計測値に基づいて作業機パラメータの較正を行う。作業機パラメータの較正は、例えば、油圧ショベル1の出荷時やメンテナンス後において実行される。
作業パラメータの較正結果は、表示入力装置71の表示部71Bに表示され、オペレータは、この較正結果を確認することにより、較正がうまくいったか、再度較正しなければならないかを確認することができる。
具体的には、図9の機能ブロック図に示されるように、較正演算部83は、計測値取得部83Aと、座標系変換部85と、作業機パラメータ取得部86と、パラメータ較正部87とを備える。
座標系変換部85は、外部計測装置84で計測された計測値を車体座標系に変換する部分である。具体的な車体座標系への変換は省略するが、車体座標系に変換された計測値は、パラメータ較正部87に出力される。
作業機パラメータ取得部86は、表示コントローラ72の記憶部72Aに格納されたデフォルトの作業機パラメータを読み出す部分であり、読み出された作業機パラメータはパラメータ較正部87に出力される。なお、デフォルトの作業機パラメータは図面値、寸法測定等で得られた値、前回の較正値を必要に応じ使用する。
座標系変換部85は、外部計測装置84で計測された計測値を車体座標系に変換する部分である。具体的な車体座標系への変換は省略するが、車体座標系に変換された計測値は、パラメータ較正部87に出力される。
作業機パラメータ取得部86は、表示コントローラ72の記憶部72Aに格納されたデフォルトの作業機パラメータを読み出す部分であり、読み出された作業機パラメータはパラメータ較正部87に出力される。なお、デフォルトの作業機パラメータは図面値、寸法測定等で得られた値、前回の較正値を必要に応じ使用する。
パラメータ較正部87は、作業機パラメータ取得部86から出力されたデフォルトの作業機パラメータを、座標系変換部85で車体座標系に変換された計測値に基づいて、較正する部分であり、較正値演算部88、補正情報取得部89A、及び作業機パラメータ補正部89を備える。
まず、較正値演算部88は、油圧ショベル1の所定の姿勢におけるバケットピン39の位置について、外部計測装置84から取得した計測値と、姿勢演算部72Cで演算されたその際の姿勢に基づいて、ブーム31、アーム32、バケット33の作業機パラメータを既知の収束演算等の手法を用いて求める。
まず、較正値演算部88は、油圧ショベル1の所定の姿勢におけるバケットピン39の位置について、外部計測装置84から取得した計測値と、姿勢演算部72Cで演算されたその際の姿勢に基づいて、ブーム31、アーム32、バケット33の作業機パラメータを既知の収束演算等の手法を用いて求める。
補正情報取得部89Aは、操作者が入力部71Aを操作して入力した補正情報を取得して、作業機パラメータ補正部89に出力する。
作業機パラメータ補正部89は、図10に示されるように、アーム32に第2作業機としてのエクステンションアーム90を装着した際に、作業機パラメータを補正する部分である。図11には、図10を簡略化して、エクステンションアーム90の装着時の相互の角度関係を表した模式図が示されている。
エクステンションアーム90は、拡張アーム91と、エクステンションロッド92と、第3リンク部材93とを備える。
拡張アーム91は、アーム32のバケットピン39に回動自在に取り付けられている。
エクステンションロッド92は、バケットシリンダ36のバケットシリンダトップピン36Bに回動自在に取り付けられている。
第3リンク部材93は、一端が拡張アーム91の中間に設けられる第3リンクピン93Aに回動自在に取り付けられ、他端がエクステンションロッド92の先端に設けられた第4リンクピン92Aに回動自在に取り付けられている。
そして、拡張アーム91、第1リンク部材40、エクステンションロッド92、及び第3リンク部材93は、パラレルリンク機構を形成している。
バケット33は、拡張アーム91の先端の第2バケットピン94に回動自在取り付けられる。
作業機パラメータ補正部89は、図10に示されるように、アーム32に第2作業機としてのエクステンションアーム90を装着した際に、作業機パラメータを補正する部分である。図11には、図10を簡略化して、エクステンションアーム90の装着時の相互の角度関係を表した模式図が示されている。
エクステンションアーム90は、拡張アーム91と、エクステンションロッド92と、第3リンク部材93とを備える。
拡張アーム91は、アーム32のバケットピン39に回動自在に取り付けられている。
エクステンションロッド92は、バケットシリンダ36のバケットシリンダトップピン36Bに回動自在に取り付けられている。
第3リンク部材93は、一端が拡張アーム91の中間に設けられる第3リンクピン93Aに回動自在に取り付けられ、他端がエクステンションロッド92の先端に設けられた第4リンクピン92Aに回動自在に取り付けられている。
そして、拡張アーム91、第1リンク部材40、エクステンションロッド92、及び第3リンク部材93は、パラレルリンク機構を形成している。
バケット33は、拡張アーム91の先端の第2バケットピン94に回動自在取り付けられる。
補正情報取得部89Aは、油圧ショベル1に、図10に示されるエクステンションアーム90が装着された際、操作者が入力部71Aを操作することにより、図12に示されるようなセットアップ画像G1を表示させる。作業者は、装着されたエクステンションアーム90のバケットピン39と第2バケットピン94との間の距離を、図面寸法に基づき、図12に示される入力画像G2に、入力部71Aの数値キーを操作することにより、エクステンションアーム90の長さ寸法を入力する。
補正情報取得部89Aは、入力部71Aで入力されたで取得されたエクステンションアーム90の補正情報を取得し、作業機パラメータ補正部89に出力する。
作業機パラメータ補正部89は、補正情報取得部89Aで取得されたエクステンションアーム90の補正情報に基づいて、エクステンションアーム90を装着後の作業機パラメータに補正する。
補正情報取得部89Aは、入力部71Aで入力されたで取得されたエクステンションアーム90の補正情報を取得し、作業機パラメータ補正部89に出力する。
作業機パラメータ補正部89は、補正情報取得部89Aで取得されたエクステンションアーム90の補正情報に基づいて、エクステンションアーム90を装着後の作業機パラメータに補正する。
具体的には、図11に示されるように、エクステンションアーム90の装着時の各部材寸法と、第2バケットピン94及び第2リンクピン41Aを結ぶ線分と、第2バケットピン94及び刃先Pを結ぶ線分とがなす角をAngleEとし、アームピン38及びバケットピン39を結ぶ線分と、バケットピン39及び第1リンクピン40Aを結ぶ線分とがなす角をAngle_bk_constとし、補正前のアームピン38及びバケットピン39とを結ぶ線分と、アームピン38及びアームシリンダトップピン35Bを結ぶ線分とがなす角をφamとし、バケット33とアーム32のなす角をφbkmとする。また、補正後のアームピン38及び第2バケットピン94とを結ぶ線分と、アームピン38及びアームシリンダトップピン35Bを結ぶ線分とがなす角をφarm_newとし、バケット33と、補正情報である拡張アーム91のなす角をφbkm_newとする。このφbkm_newは、AngleEとAngle_bk_const_newの和でなる。補正後の作業機パラメータは、式(8)乃至式(11)によって補正することができる。
L2_new:補正後のアーム長
φarm_new:エクステンションアーム90の装着時のアームピン38及び第2バケットピン94とを結ぶ線分と、アームピン38及びアームシリンダトップピン35Bを結ぶ線分とがなす角
φbkm_new:AngleEとAngle_bk_const_newの和
Angle_bk_cost_new:アームピン38及び第2バケットピン94を結ぶ線分と、バケットピン39及び第2バケットピン94とを結ぶ線分がなす角
L2:通常時のアーム長
φam:アームピン38及びバケットピン39とを結ぶ線分と、アームピン38及びアームシリンダトップピン35Bを結ぶ線分とがなす角
φbkm:バケット33とアーム32のなす角
A:エクステンションアーム90の拡張アーム91の長さ寸法
L2_new:補正後のアーム長
φarm_new:エクステンションアーム90の装着時のアームピン38及び第2バケットピン94とを結ぶ線分と、アームピン38及びアームシリンダトップピン35Bを結ぶ線分とがなす角
φbkm_new:AngleEとAngle_bk_const_newの和
Angle_bk_cost_new:アームピン38及び第2バケットピン94を結ぶ線分と、バケットピン39及び第2バケットピン94とを結ぶ線分がなす角
L2:通常時のアーム長
φam:アームピン38及びバケットピン39とを結ぶ線分と、アームピン38及びアームシリンダトップピン35Bを結ぶ線分とがなす角
φbkm:バケット33とアーム32のなす角
A:エクステンションアーム90の拡張アーム91の長さ寸法
作業機パラメータ補正部89は、式(8)から式(11)に基づいて、アーム長L2、アーム32の回動角β、バケット33の回動角γを補正し、エクステンションアーム90の装着後の補正されたパラメータを算出し、補正された作業機パラメータを、表示コントローラ72に出力する。
表示コントローラ72は、補正された作業機パラメータに基づいて、姿勢演算、推定位置演算を行って、表示部71B上にエクステンションアーム90が装着されたバケット33の刃先Pの位置を表示させる。
また、表示コントローラ72は、補正された作業機パラメータを、作業機コントローラ52に出力し、作業機コントローラ52は、エクステンションアーム90が装着された状態に基づいて、油圧シリンダ34〜36の制御を行う。
表示コントローラ72は、補正された作業機パラメータに基づいて、姿勢演算、推定位置演算を行って、表示部71B上にエクステンションアーム90が装着されたバケット33の刃先Pの位置を表示させる。
また、表示コントローラ72は、補正された作業機パラメータを、作業機コントローラ52に出力し、作業機コントローラ52は、エクステンションアーム90が装着された状態に基づいて、油圧シリンダ34〜36の制御を行う。
作業機パラメータ補正部89は、通常状態の作業機パラメータをメモリ等の記憶装置上に保持している。エクステンションアーム90を外し、油圧ショベル1が通常の状態に戻った場合、操作者は、図12におけるセットアップ画像G1で0を入力する。本実施形態ではエクステンション長さを入力しているが、エクステンション長さを予め記憶させ、エクステンションアーム90の装着の有無の設定で呼び出してもよい。作業機パラメータ補正部89は、エクステンションアーム90が取り外されたと判定し、通常の作業機パラメータをメモリから呼び出し、表示コントローラ72に出力し、表示コントローラ72は、通常状態での作業機パラメータに基づく表示制御に復帰させる。
[5]実施形態の作用及び効果
次に、前述した実施形態の作用を図13に示されるフローチャートに基づいて、説明する。
操作者が、エクステンションアーム90を装着し(手順S1)、入力部71Aを操作すると、補正情報取得部89Aは、セットアップ画像G1を表示部71Bに表示させ、補正情報であるエクステンションアーム90の長さの入力を促す(手順S2)。
操作者が、入力部G2にエクステンションアーム90の長さ寸法を入力したら、補正情報取得部89Aは、入力された補正情報を取得し(手順S3)、取得した補正情報を作業機パラメータ補正部89に出力する。作業機パラメータ補正部89は、前述した式(8)乃至式(11)に基づいて、作業機パラメータを補正する(手順S4)。
作業機パラメータ補正部89は、新たな作業機パラメータを、補正前の作業機パラメータに追加して記憶する(手順S5)。
次に、前述した実施形態の作用を図13に示されるフローチャートに基づいて、説明する。
操作者が、エクステンションアーム90を装着し(手順S1)、入力部71Aを操作すると、補正情報取得部89Aは、セットアップ画像G1を表示部71Bに表示させ、補正情報であるエクステンションアーム90の長さの入力を促す(手順S2)。
操作者が、入力部G2にエクステンションアーム90の長さ寸法を入力したら、補正情報取得部89Aは、入力された補正情報を取得し(手順S3)、取得した補正情報を作業機パラメータ補正部89に出力する。作業機パラメータ補正部89は、前述した式(8)乃至式(11)に基づいて、作業機パラメータを補正する(手順S4)。
作業機パラメータ補正部89は、新たな作業機パラメータを、補正前の作業機パラメータに追加して記憶する(手順S5)。
このような第1実施形態によれば、較正部80が作業機パラメータ補正部89を備えていることにより、式(8)乃至式(11)を用いて、作業機パラメータを補正しているので、エクステンションアーム90の装着時、再度の較正作業が不要となり、較正作業の簡単化を図ることができる。また、エクステンションアーム寸法を予め記憶部72Aに記憶しておき、入力部71Aでのエクステンションアーム装着を選択する入力に応じて、エクステンションアームの寸法を呼び出してもよい。
また、作業機パラメータ補正部89が、通常の状態の作業機パラメータをメモリ等に保持しているため、エクステンションアーム90を取り外し、通常の状態に戻しても、保持した作業機パラメータを用いることができる。従って、復帰時の作業機パラメータの較正も不要とすることができる。
また、作業機パラメータ補正部89が、通常の状態の作業機パラメータをメモリ等に保持しているため、エクステンションアーム90を取り外し、通常の状態に戻しても、保持した作業機パラメータを用いることができる。従って、復帰時の作業機パラメータの較正も不要とすることができる。
さらに、表示コントローラ72が、作業機パラメータ補正部89によって補正された作業機パラメータを、作業機コントローラ52に出力するので、エクステンションアーム90の装着時、装着された状態に基づいた作業機3の油圧制御を行うことができる。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一の部分については、説明を省略する。
前述した第1実施形態では、作業機械本体2に対するブーム31の回動角α、ブーム31に対するアーム32の回動角β、アーム32に対するバケット33の回動角γを、シリンダストロークセンサ42〜44により検出して、作業機3の姿勢演算を行っていた。
これに対して、本実施形態では、傾斜センサを用いて、作業機姿勢を演算している点が相違する。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一の部分については、説明を省略する。
前述した第1実施形態では、作業機械本体2に対するブーム31の回動角α、ブーム31に対するアーム32の回動角β、アーム32に対するバケット33の回動角γを、シリンダストロークセンサ42〜44により検出して、作業機3の姿勢演算を行っていた。
これに対して、本実施形態では、傾斜センサを用いて、作業機姿勢を演算している点が相違する。
本実施形態では、回動角検出部として、後述する傾斜センサ100(図17参照)を用いているが、ブーム31の長さ寸法L1、アーム32の長さ寸法L2、バケットの長さ寸法L3と、ブーム31の回動角α、アーム32の回動角β、バケット33の回動角γを作業機パラメータとしている。
傾斜センサ100は、アームピン38及びバケットピン39を結ぶ線分L2を鉛直方向に沿って配置したときに、θ4の角度をもってアーム32に配置され、この傾斜センサ100の検出値に基づいて、アーム32の姿勢が演算される。
具体的には、機能ブロック図等は、第1実施形態と同様の構成であり、傾斜センサ100の検出値に基づいて、水平方向又は鉛直方向に対するブーム31、アーム32、バケット33の回動角を演算する。そして、演算された回動角と、ブーム31、アーム32、バケット33の作業機パラメータに基づいて、バケット33の刃先Pの位置を推定し、表示部71B上に表示する。
具体的には、機能ブロック図等は、第1実施形態と同様の構成であり、傾斜センサ100の検出値に基づいて、水平方向又は鉛直方向に対するブーム31、アーム32、バケット33の回動角を演算する。そして、演算された回動角と、ブーム31、アーム32、バケット33の作業機パラメータに基づいて、バケット33の刃先Pの位置を推定し、表示部71B上に表示する。
傾斜センサ100の較正は、次のように行う。
まず、ブームピン37及びアームピン38間の距離、アームピン38及びバケットピン39間の距離、及びバケットピン39及びバケット33の刃先P間の距離を鋼製巻尺等で実測する。
次に、操作者は、キャブ6内の表示入力装置71上に、図14に示されるような較正用の画像G5を表示させる。外部計測装置で計測しながら、ブームピン37及びアームピン38間の線分が水平方向となるように、作業機3の姿勢を調整する。その後、ブーム31を操作し、ブームピン37とアームピン38を結ぶ線分を水平に維持した状態で、較正用画像G5における水平セットボタンB3を押すと、姿勢演算部72Cは、ブーム31に設けられた傾斜センサ100が検出する傾斜角を、ブーム31が水平な場合の値とする。
まず、ブームピン37及びアームピン38間の距離、アームピン38及びバケットピン39間の距離、及びバケットピン39及びバケット33の刃先P間の距離を鋼製巻尺等で実測する。
次に、操作者は、キャブ6内の表示入力装置71上に、図14に示されるような較正用の画像G5を表示させる。外部計測装置で計測しながら、ブームピン37及びアームピン38間の線分が水平方向となるように、作業機3の姿勢を調整する。その後、ブーム31を操作し、ブームピン37とアームピン38を結ぶ線分を水平に維持した状態で、較正用画像G5における水平セットボタンB3を押すと、姿勢演算部72Cは、ブーム31に設けられた傾斜センサ100が検出する傾斜角を、ブーム31が水平な場合の値とする。
ブーム31に設けられた傾斜センサ100の較正が終了したら、完了ボタンB4を押す。すると、図15に示されるような画像G6が表示されるので、操作者は、アーム32の長さ(具体的には、アームピン38及びバケットピン39間の距離)を入力し、ボタンB5を押す。
ボタンB5を押すと、図16に示されるような画像G7が表示されるので、アームピン38及びバケットピン39間の線分L2が鉛直方向となるように、作業機3の姿勢を調整する。その後、操作者が、垂直セットボタンB6を押すと、アーム32に設けられた傾斜センサ100が検出する傾斜角を、アーム32が垂直な場合の値として較正を行う。
以後、バケット33に設けられた傾斜センサ100も同様に、バケットピン39及びバケット33の刃先Pを結ぶ線分が水平方向となる姿勢として、バケット33に設けられた傾斜センサ100の較正が行われる。上記作業で求められた各作業機の作業機パラメータを、記憶部72Aに記憶する。
ボタンB5を押すと、図16に示されるような画像G7が表示されるので、アームピン38及びバケットピン39間の線分L2が鉛直方向となるように、作業機3の姿勢を調整する。その後、操作者が、垂直セットボタンB6を押すと、アーム32に設けられた傾斜センサ100が検出する傾斜角を、アーム32が垂直な場合の値として較正を行う。
以後、バケット33に設けられた傾斜センサ100も同様に、バケットピン39及びバケット33の刃先Pを結ぶ線分が水平方向となる姿勢として、バケット33に設けられた傾斜センサ100の較正が行われる。上記作業で求められた各作業機の作業機パラメータを、記憶部72Aに記憶する。
このような傾斜配置された傾斜センサ100を有するアーム32に、図17に示されるように、エクステンションアーム90を装着した場合、アームピン38及び第2バケットピン94を結ぶ線分L2_newを鉛直方向に沿って配置すると、補正情報である線分L2_newに対する傾斜センサ100のなす角度が変化する。
より詳細に説明すると、図18に示されるように、線分L2にエクステンションアーム90のアーム長Aが加わり、線分L2_newを鉛直方向に沿って配置した際、線分L2_newに対する傾斜センサ100のなす角度がθ4’となる。
従って、エクステンションアーム90の装着時には、角度θ4’を算出する必要があるが、通常時の作業機パラメータを用いて、式(12)によって算出することができる。なお、式(12)中、L2は、アームピン38とバケットピン39の距離を表し、Aは、エクステンションアーム90の長さ寸法である。L2_newは、エクステンションアーム90の装着時のアームピン38と第2バケットピン94の距離を表し、実測値である。
従って、エクステンションアーム90の装着時には、角度θ4’を算出する必要があるが、通常時の作業機パラメータを用いて、式(12)によって算出することができる。なお、式(12)中、L2は、アームピン38とバケットピン39の距離を表し、Aは、エクステンションアーム90の長さ寸法である。L2_newは、エクステンションアーム90の装着時のアームピン38と第2バケットピン94の距離を表し、実測値である。
エクステンションアーム90を装着した場合、図15の画像G6上でアームの長さとして、アームピン38及び第2バケットピン94を結ぶ線分L2_newの距離L2_newを入力する。
エクステンションアーム90の装着後は、表示コントローラ72の姿勢演算部72Cは、式(14)を用いて演算されたθ4’に基づいて、傾斜センサ100の検出値から作業機3の姿勢を演算する。
較正部80の作業機パラメータ補正部89は、通常状態の作業機パラメータを保持しており、エクステンションアーム90を取り外した後、図15の画像G6上で通常のアーム長さに変更されたら、作業機パラメータ補正部89は、元の作業機パラメータを姿勢演算部72Cに出力し、姿勢演算部72Cはこれに基づいて、作業機3の姿勢を演算する。
このような本実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の作用及び効果を享受することができる。
エクステンションアーム90の装着後は、表示コントローラ72の姿勢演算部72Cは、式(14)を用いて演算されたθ4’に基づいて、傾斜センサ100の検出値から作業機3の姿勢を演算する。
較正部80の作業機パラメータ補正部89は、通常状態の作業機パラメータを保持しており、エクステンションアーム90を取り外した後、図15の画像G6上で通常のアーム長さに変更されたら、作業機パラメータ補正部89は、元の作業機パラメータを姿勢演算部72Cに出力し、姿勢演算部72Cはこれに基づいて、作業機3の姿勢を演算する。
このような本実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の作用及び効果を享受することができる。
[実施形態の変形]
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、油圧ショベル1を例示したが、本発明はこれに限られず、バックホウ等に採用してもよい。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、油圧ショベル1を例示したが、本発明はこれに限られず、バックホウ等に採用してもよい。
1…油圧ショベル、2…作業機械本体、3…作業機、4…下部走行体、5…上部旋回体、6…キャブ、31…ブーム、32…アーム、33…バケット、34…ブームシリンダ、34A…ブームシリンダフートピン、34B…ブームシリンダトップピン、35…アームシリンダ、35A…アームシリンダフートピン、35B…アームシリンダトップピン、36…バケットシリンダ、36A…バケットシリンダフートピン、36B…バケットシリンダトップピン、37…ブームピン、38…アームピン、39…バケットピン、40…第1リンク部材、40A…第1リンクピン、41…第2リンク部材、41A…第2リンクピン、42…ブームシリンダストロークセンサ、43…アームシリンダストロークセンサ、44…バケットシリンダストロークセンサ、45…位置検出部、46…基準アンテナ、47…方向アンテナ、48…車体位置演算部、4A…走行装置、4B…履帯、51…操作装置、52…作業機コントローラ、52A…記憶部、52B…演算部、53…油圧制御回路、54…油圧ポンプ、54A…エンジン、55…作業機操作レバー、55L…左操作レバー、55R…右操作レバー、56…作業機操作検出部、56L…作業機操作検出部、59…走行操作レバー、60…走行操作検出部、61…油圧モータ、70…表示システム、71…表示入力装置、71A…入力部、71B…表示部、72…表示コントローラ、72A…記憶部、72B…作業機位置演算部、72C…姿勢演算部、80…較正部、83…較正演算部、83A…計測値取得部、84…外部計測装置、85…座標系変換部、86…作業機パラメータ取得部、87…パラメータ較正部、88…較正値演算部、89…作業機パラメータ補正部、89A…補正情報取得部、90…エクステンションアーム、91…拡張アーム、92…エクステンションロッド、92A…第4リンクピン、93…第3リンク部材、93A…第3リンクピン、94…第2バケットピン、100…傾斜センサ、G1…セットアップ画像、G2…入力画像、G5…画像、G6…画像、G7…画像、L1…寸法、L2…寸法、L3…寸法、O…原点、P…刃先、S1…手順、S2…手順、S3…手順、S4…手順、α…回動角、β…回動角、γ…回動角、θ1…ロール角、θ2…ピッチ角、θ3…ヨー角
Claims (7)
- 作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続されたアーム及びバケットを含む第1作業機と、
前記アーム及びバケットを含む第1作業機に装着可能とされ、パラレルリンクを有する第2作業機と、
前記作業機械本体に対する前記アーム及びバケットを含む第1作業機の回動角情報を検出する回動角検出部と、
検出された前記アーム及びバケットを含む第1作業機の回動角情報に基づいて、前記アーム及びバケットを含む第1作業機の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記アーム及びバケットを含む第1作業機を構成する部材に設定された、前記アームについてのパラメータ及び前記バケットについてのパラメータを含む第1作業機パラメータを記憶する作業機パラメータ記憶部と、
前記第2作業機に関する情報を補正情報として取得する補正情報取得部と、
前記補正情報取得部で取得された前記補正情報に基づいて、前記第1作業機パラメータを補正する作業機パラメータ補正部とを備えている
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項1に記載の作業機械において、
前記第1作業機を回動させる油圧シリンダを備え、
前記回動角検出部は、前記油圧シリンダのストローク量を検出するストローク量検出部である
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項1又は請求項2に記載の作業機械において、
前記作業機械は、表示部を有し、
前記作業機パラメータ補正部は、前記第1作業機又は前記第2作業機の姿勢を、前記表示部に表示させる
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の作業機械において、
前記作業機パラメータ補正部で補正された前記第1作業機パラメータは、前記第1作業機を制御する作業機制御部に出力される
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の作業機械において、
前記第2作業機は、前記アームの先端側に設けられるパラレルリンク式の作業機である
ことを特徴とする作業機械。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の作業機械において、
前記作業機械本体は、走行体と、上部旋回体とを備えている
ことを特徴とする作業機械。 - 作業機械本体と、
前記作業機械本体に回動自在に接続されたアーム及びバケットを含む第1作業機と、
前記アーム及びバケットを含む第1作業機に装着可能とされ、パラレルリンクを有する第2作業機と、
前記作業機械本体に対する前記アーム及びバケットを含む第1作業機の回動角情報を検出する回動角検出部と、
検出された前記アーム及びバケットを含む第1作業機の回動角情報に基づいて、前記アーム及びバケットを含む第1作業機の姿勢を演算する姿勢演算部と、
前記アーム及びバケットを含む第1作業機を構成する部材に設定された、前記アームについてのパラメータ及び前記バケットについてのパラメータを含む第1作業機パラメータを記憶する作業機パラメータ記憶部と、を備えた作業機械の前記第1作業機パラメータを補正する作業機械の作業機パラメータ補正方法であって、
前記第2作業機に関する情報を補正情報として取得する手順と、
取得された前記補正情報に基づいて、前記第1作業機パラメータを補正する手順とを、コンピュータが実行する
ことを特徴とする作業機械のパラメータ補正方法。
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